Analisa Sistem Proteksi dan Arc Flash pada Sistem Kelistrikan Ladang Minyak

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Analisa Sistem Proteksi dan Arc Flash pada Sistem Kelistrikan Ladang Minyak Firmansyah Rizal, I Gusti Ngurah Satriyadi Hernanda, Margo Pujiantara Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri - ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya firmansyahr.its@gmail.com;didit@ee.its.ac.id;margo@ee.its.ac.id Abstrak - Sistem electric submersible pump (ESP) memiliki arus hubung singkat yang khas jika dibandingkan system pada fasilitas lain. Hal ini dikarenakan, pada sistem ESP menggunakan kabel yang panjang untuk menyalurkan daya dari bagian permukaan ke bagian dasar sumur. Panjang kabel sistem ESP menyebabkan arus hubung singkat bagian dasar sumur dengan bagian permukaan memiliki beda yang cukup besar yaitu pada lajur tipikal 3 sebesar 78.70%. Akibat perbedaan arus hubung singkat yang besar menyebabkan pengaman yang terletak dipermukaan tidak dapat mengamankan hubung singkat minimum yang terjadi didalam sumur. Sehingga diperlukan penambahan pengaman untuk mengatasi permasalahan tersebut. Pada sistem ini juga dianalisa mengenai bahaya arc flash kondisi pengaman eksisting, setelah resetting dan setelah rekomendasi penambahan pengaman. Dari analisa ketiga kondisi tersebut, kategori bahaya arc flash turun dari kategori melebihi ketentuan NFPA 70E menjadi kategori 2. Kategori bahaya arc flash digunakan untuk menentukan Personal Protective Equipment (PPE). Kata Kunci Arus hubung singkat, bahaya arc flash, electric submersible pump, sistem pengaman S I. PENDAHULUAN istem Electric Submersible Pump (ESP) sering digunakan perusahaan minyak untuk memompa minyak dari dasar sumur ke permukaan. Penggerak utama sistem ESP adalah motor listrik yang terletak pada dasar sumur dengan kedalaman rata-rata lebih dari seribu meter dari permukaan. Sumber listrik dan kontrol peralatan yang terletak dipermukaan dihubungkan dengan kabel yang dimasukkan kedalam dasar sumur. Dengan panjangnya kabel penghubung, arus hubung singkat pada bus dasar sumur dengan bus permukaan memiliki beda yang besar. Pemasangan sistem pengaman ESP harus memperhatikan ke khas-an arus hubung singkat tersebut, sehingga sistem pengaman mampu mengamankan hubung singkat dibagian dasar sumur maupun dipermukaan. Selain itu, setting peralatan harus mampu mengamankan pekerja dari bahaya arc flash. Incident energi arc flash digunakan untuk menentukan Personal Protective Equipment (PPE) bagi pekerja. Syarat sistem pengaman tersebut harus dipenuhi dalam sistem ESP sehingga sistem tersebut aman untuk peralatan maupun pekerja. Metodologi yang digunakan untuk menganalisa permasalahan tersebut ditunjukkan dalam diagram alir pada gambar 1. START Pengumpulan Data dan Literatur Pemodelan Single Line Diagram Sistem Simulasi dan Analisis Loadflow Simulasi dan Analisis Hubung Singkat Simulasi dan Analisa Koordinasi Sistem Proteksi Sistem Koordinasi Aman? Pembuatan Laporan STOP Ya Simulasi Arc Flah Bahaya Arc Flash Aman? Ya Gambar 1. Metodologi pelaksanaan tugas akhir Resetting/Add Protection Tidak II. PENGAMAN SISTEM ESP Tidak Electric Submersible Pump adalah pompa yang digunakan untuk mengalirkan minyak dari dasar sumur ke permukaan dengan cara pengangkatan buatan. Peralatan ESP terdiri dari dua bagian yaitu peralatan yang terdapat pada permukaan yang terdiri dari wellhead, switchboard, transformer, dll. Sedangakn peralatan yang berada dalam sumur terdiri dari motor listrik, pelindung, intake, unit pompa dan kabel listrik serta alat penunjang lainnya. Pengaman motor listrik pada sistem ESP menggunakan rele overload dan Low Voltage Circuit Breaker (LVCB) yang terpasang pada LOAD-BUS. Bus LOAD-BUS terletak pada permukaan tanah dengan tipe bus motor control center (MCC). LOAD-BUS terhubung pada TRAFO-

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) DOWN yang bertipe switchboard. Pada switchboard terdapat fuse sebagai pengaman trafo dan rele arus lebih sebagai pengaman jalur penghubung antar bus yang juga berfungsi sebagai back-up pengaman trafo. Gambar tipikal koordinasi pengaman dapat dilihat pada gambar 2. LVCB 1 TRAFO-1 50kV STATIC- LOAD kV STATIC-LOAD-1 GEN-A GEN-A- MAIN-BUS GEN-A 3500 kw GEN-B 3500 kw CB1 CB 2 TRAFO-UP 4.16kV TRAFO-DOWN CB 3 MAIN- TRAFO-UP LBS-DOWN FUSE CONTACTOR TRAFO ESP 500 KVA GEN-B GEN-B- MAIN-BUS TRAFO- DOWN-LOAD-BUS LVCB 2 LVCB HP 40 HP 100 HP = TIPIKAL 3 MOTOR-LOAD MAIN-BUS LOAD-BUS LVCB 5 STATIC-LOAD-2 TRAFO-2 50kV STATIC- LOAD kV TABEL I DATA PENGAMAN KONDISI EKSISTING ID peralatan pengaman Setting & Model OL- Type Class 10 Trip Range Primary Siemens Trip UF50 Trip Amps Size 50 Continous Amp 50 Cutler-Hummer Interrupting ka 100 HMCP (050K2) Trip E FUSE Gould Shawmut (Ferraz) CL-14 RELAY 1 Size 150E Countinous Amp 150 Interrupting 63 CT 200/5 Curve Type C-Extremely Inverse Overcurrent Pickup Range Sec 5A Pickup 7.5 Time Dial 2 Pickup Range Sec 5A Pickup 25 Delay (Sec) 0.8 Gambar 2. Tipikal koordinasi pengaman Pada gambar 2 terdapat pengaman ESP yang terdiri dari motor induksi dengan sistem pengamannnya. Data eksisting pengaman dapat dilihat pada table 1 dan plot kurva eksisting tipikal 3 pada gambar 3. Dari hasil plot kurva koordinasi eksisting pengaman tipikal 3 terdapat kekurang tepatan dalam mensetting rele arus lebih, fuse dan LVCB. Dari plot kurva gambar 3, fuse FUSE yang berfungsi melindungi trafo tidak tepat spesifikasinya, rele RELAY 1 yang digunakan untuk mengamankan jalur yang menghubungkan bus MAIN-BUS dengan TRAFO-UP dan juga sebagai back up pengaman trafo TRAFO ESP tidak mampu melindungi trafo dari gangguan dan tidak sesuai dengan spesifikasi datasheet produk. Resetting peralatan dibutuhkan untuk memperbaiki kinerja peralatan sehingga mampu bekerja sesuai dengan fungsinya. Data resetting koordinasi eksisting pengaman dapat dilihat pada table 2 dan plot kurva resetting dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 3. Plot kurva koordinasi eksisting pengaman tipikal 3

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) TABEL II DATA PENGAMAN KONDISI RESETTING ID peralatan pengaman Setting & Model OL- Type Class 10 Trip Range Primary Siemens Trip UF50 Trip Amps Size 150 Continous Amp 150 Cutler-Hummer Interrupting ka 100 HMCP (050K2) Trip H FUSE Gould (Ferraz) CL-14 RELAY 1 Shawmut Size 65E Countinous Amp 65 Interrupting 63 CT 200/5 Curve Type V1- Very Inverse Overcurrent Pickup Range Sec 5A Pickup 1.9 Time Dial Pickup Range Sec 5A Pickup Delay (Sec) 0.1 minimum didaerah downhole, tidak dapat mengamankan gangguan. III. PENGARUH PANJANG KABEL PADA SISTEM PENGAMAN Panjang kabel daya pada sistem ESP berkisar sampai seribu meter dan memiliki impedansi cukup besar. Jika terjadi hubung singkat pada daerah downhole arus yang dirasakan daerah permukaan jauh lebih kecil dari arus daerah downhole. Jika setting LVCB tidak tepat maka akan mengakibatkan LVCB terlambat trip atau tidak trip. Untuk menganalisa ke khas-an arus hubung singkat tersebut, pada sumur ESP ditambahkan bus wellhead yang ditujukan untuk mengetahui arus pada bagian permukaan. Gambar 5 menunjukkan ke khas-an arus hubung singkat pada sumur ESP. TRAFO- DOWN-LOAD-BUS LVCB 2 LVCB 3 WELLHEAD WELLHEAD WELLHEAD LOAD-BUS 6.48kA 1.38kA 25 HP 40 HP 100 HP Gambar 5. Arus hubung singkat maksimum pada sumur ESP Gambar 4. Plot kurva resetting koordinasi eksisting pengaman tipikal 3 Dari plot kurva resetting peralatan pengaman koordinasi tipikal 3, fuse FUSE dan rele RELAY 1 mampu melindungi trafo jika terjadi ganguan. sudah sesuai dengan datasheet namun jika terjadi hubung singkat Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa perbedaan arus hubung singkat bus adalah 78.70% dari arus hubung singkat WELLHEAD. Panjang kabel penghubung downhole dan wellhead sangat berpengaruh pada arus hubung singkat yang dirasakan daerah permukaan. Setting peralatan pengaman harus memperhatikan ke khas-an arus hubung singkat tersebut sehingga dapat mengamankan gangguan di daerah downhole dan wellhead. Pada koordinasi tipikal 3 terdapat ke khas-an arus hubung singkat yang tidak mampu dilindung oleh. Saat terjadi arus hubung singkat minimum arus yang mengalir pada bus downhole adalah 1.054kA. Sedangkan minimal clearing time adalah ka, sehingga tidak dapat mengamankan arus hubung singkat. Selain itu diperlukan pengaman tambahan untuk mengamankan saluran TRAFO-DOWN-LOAD-BUS sehingga jika ada gangguan pada bus LOAD-BUS dapat diamankan dengan cepat. Pengaman tersebut juga berfungsi

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) sebagai pengaman trafo, menurunkan bahaya arc flash dan sebagai back up untuk pengaman pada beban. Sebagai rekomendasi, rele arus lebih (RELAY 2) dan LVCB baru dipasang pada bus TRAFO-DOWN. Sedangkan rele arus lebih tambahan untuk hubung singkat bus (RELAY 3) dipasang pada bus LOAD-BUS pada lajur. Spesifikasi pengaman tambahan dapat dilihat pada tabel 3 dan plot kurva penambahan pengaman dapat dilihat pada gambar 6. TABEL III DATA PENAMBAHAN PENGAMAN ID peralatan pengaman Setting & Model RELAY 2 CT 1500/5 Curve Type V1- Very Inverse Overcurrent Pickup Range Sec 1A Pickup Time Dial 3.48 Pickup Range Sec 5A Pickup 3.4 Delay (Sec) 0.3 RELAY 3 CT 1500/5 Pickup Range Sec 1A Pickup 3 Delay (Sec) 0.1 Dengan penambahan pengaman, arus hubung singkat minimum pada bus dapat diamankan dalam waktu 0.1 detik. Sedangkan jika terjadi hubung singkat minimum pada bus LOAD-BUS dan bus TRAFO-DOWN dapat diamankan dalam waktu 0.3 detik. IV. BAHAYA ARC FLASH Bahaya arc flash adalah adalah kondisi bahaya yang berhubungan dengan lepasnya energy akibat electric arc[3]. Electric arc terjadi jika terjadi hubung singkat listrik antara konduktor yang beraliran listrik dengan ground atau konduktor dengan konduktor lain yang beraliran listik. Bahaya yang dihasilkan oleh arc flash dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan dan cedera parah pada orang yang berada dekat dengan ledakan. Beberapa cedera yang disebabkan oleh arc flash adalah kehilangan pendengaran, patah tulang, luka bakar, kematian, gagar otak, kebutaan sementara, luka bakar jaringan paru-paru. Untuk menghitung besarnya incident energy digunakan rumus berikut: Pertama kali digunakan log 10 normalized. Persamaan ini berdasarkan data normalized untuk waktu arcing yaitu 0.2 detik dan jarak dari titik arcing ke orang yaitu 610 mm. lg E n = K1 + K lg I a G (1) dimana: E n = incident energy (J/cm 2 ) normalized untuk waktu dan jarak K1 = untuk konfigurasi terbuka (no enclosure) dan untuk konfigurasi box (enclosed equipment) K2 = 0 untuk sistem ungrounded and high-resistance grounded untuk sistem grounded G = gap antara conductors (mm) lg I a = arus arcing (ka) Selanjutnya. E n = 10 lgen (2) Selanjutnya diconvert dari kondisi normalized E = Dimana: x t C f En x 0.2 D (3) Gambar 6. Plot kurva rekomendasi pada lajur motor JWP-WHPB-5A E C f t D x = incident energy (J/cm2) = factor pengali 1.0 untuk tegangan diatas 1kV, dan 1.5 untuk tegangandibawah 1kV = waktu arcing (detik) = jarak dari kemungkinan titik arcing ke orang (mm) = jarak exponent

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Pada studi kasus ladang minyak ini dianalisa bahaya arc flash saat kondisi eksisting, resetting dan penambahan rele. 1. Analisa bahaya arc flash ketika kondisi eksisting TABEL IV DATA ARC FLASH KONDISI EKSISTING Ia at FCT (ka) Total Energy (cal/cm²) kv ID (kv) LOAD-BUS TRAFO- DOWN TRAFO-UP Flash Protection Boundary (ft) Hazard Category Cat 4 > Cat 4 > Cat 4 Cat 1 Terdapat dua bus yang memiliki kategori melebihi batas dari yang diijinkan yaitu bus LOAD-BUS dan TRAFO-DOWN. Hal ini sangat berbahaya bagi pekerja jika terjadi hubung singkat, jika kategori bahayanya melebihi 4 karena menurut IEEE tahun 2007 tentang Arc Flash Hazard Assessment Requirements menyatakan bahwa Total energy cal/cm2: Most work should be done by remote or not at all. NFPA 70E tables do not address PPE for these levels. Arc Blast can become the major issue here. Suits are designed to take the thermal portion of arcs with <8 ka fault current. >8kA should use extreme caution[5]. Oleh sebab itu sistem harus dikoreksi lagi sehingga hazard category tidak melebihi batas yang diperbolehkan. 2. Analisa bahaya arc flash ketika kondisi resetting TABEL V DATA ARC FLASH KONDISI RESETTING Ia at FCT (ka) Total Energy (cal/cm²) kv ID (kv) LOAD-BUS TRAFO- DOWN TRAFO-UP Flash Protection Boundary (ft) Hazard Category Cat 4 Cat 3 Cat 3 Dari data table resetting koordinasi proteksi diatas, dapat diketahui ada perbaikan dalam bahaya arc flash yang mungkin dialami oleh pekerja. Dari yang sebelumnya terdapat kategori yang melebihi standart menjadi kategori 3. Untuk kategori 3 ini menurut IEEE tahun 2007 tentang Arc Flash Hazard Assessment Requirements menyatakan bahwa cal/cm2: Blue Jeans will ignite and continue to burn, All commercial non-fr winter jacket shells will ignite and continue to burn, Most lightweight FR shirts will prevent burns if a cotton underlayer is worn. Faceshields with balaclava hoods reach their limit based on the faceshield limits. [5]. 3. Analisa bahaya arc flash ketika kondisi penambahan rele arus lebih TABEL VI DATA ARC FLASH KONDISI PENAMBAHAN RELE Ia at FCT (ka) Total Energy (cal/cm²) kv ID (kv) LOAD-BUS TRAFO- DOWN TRAFO-UP Flash Protection Boundary (ft) Hazard Category Cat 2 Cat 1 Dari data rekomendasi penambahan pengaman didapatkan hasil kategori bahaya 3 turun menjadi kategori 2. Untuk kategori 2 ini menurut IEEE tahun 2007 tentang Arc Flash Hazard Assessment Requirements menyatakan bahwa Total energy 2-6 cal/cm2: Most non-fr cotton shirt materials will ignite and cause life threatening injuries (basically a 50% probability of death if a shirt ignites and burns off of a worker). Light weight FR shirts will prevent most skin burns and will not ignite Additional face protection is required by NFPA 70E based on task. [5]. V. PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan analisis, terdapat beberapa permasalahan setting eksisting sistem pengaman yang menyebabkan pengaman tidak berfungsi sebagaimana fungsinya, oleh karena itu perlu dilakukan resetting untuk memperbaiki kinerja sistem pengaman. Panjang kabel pada sistem ESP menyebabkan arus hubung singkat daerah jauh lebih kecil dari daerah WELLHEAD dan menyebabkan tidak dapat mengamankan arus hubung singkat minimum pada

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) daerah, sehingga direkomendasikan untuk menambahkan pengaman tambahan. Dari analisa arc flash kondisi eksisting, terdapat kategori incident energy yang melebihi standart NFPA 70E sehingga membahayakan pekerja. Setelah dilakukan resetting sistem pengaman, incident energy turun menjadi kategori 3 dan memenuhi standart NFPA 70E. Penambahan rele arus lebih pada sistem menyebabkan incident energy turun menjadi kategori 2 dengan nilai total energi 2-6 cal/cm 2. DAFTAR PUSTAKA [1] Hewitson, L.G. Brown, Mark. Balakrisnan, Ramesh., Practical Power System Protection Elsevier, 2004 [2] Arindya, R, Penggunaan Electric Submersible Pump (ESP) pada sumur minyak bumi, Buku Pintar Migas Indonesia. [3] IEEE Std , IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, 2002 [4] IEEE std , IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, 2001, Ch. 15. [5] Gary Zahalka, P.E. and Hugh Hoagland, ARC Flash Hazard Assessment Requirements, IEEE Transactionon, Paper no 07 C5, /07, [6] X. Liang and J. Lim, Power Systems Protection in an Oil Field Distribution System, Industry Applications, IEEE Transactions on, Vol. 46, pp , [7] NFPA 70E, Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces